全球第三个！我国正式具备量子计算机整机交付能力

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，安徽省量子计算工程研究中心表示，中心联合组建方之一的合肥本源量子计算科技有限责任公司目前已经研发出多台中国量子计算机，并成功交付一台量子计算机给用户使用。这就意味着我国已经成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家，也是我国继实现“量子优越性”之后，又一次确立了在国际量子计算研究领域的领先地位。

目前，安徽省量子计算工程研究中心的工作进展非常快。要知道，这个研究中心去年2月才正式获批，由本源量子与和中科院量子信息重点实验室联合组建，研究重心是以量子计算为研发方向，致力于推进中国量子计算机的工程化和产业化。目前，第一台可交付的国产量子计算机已经在客户方发光发热。
 

量子计算的魅力

一直以来，我国都非常重视量子计算的发展。实际上，早在2017年，我国就已经研发出了世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机，由中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组等协同研发，标志着我国量子计算水平达到世界领先水平。
 
为什么我国一直重视在量子计算领域的投入呢？量子计算到底有什么魅力？
 
从概念上来看，量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子计算和传统计算有一点相似的地方，那就是计算还是0和1来表达。不过，在量子计算中，一个量子比特可以处于0和1的叠加态，也就是说一个量子比特可以同时代表0和1。那么只需要对量子比特进行一次操作就相当于对0和1同时执行了操作。并且，在传统计算机中，2位寄存器同一时间仅能够储存4个二进制数（00、01、10、11）中的一个，而一个2位的量子位寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。
 
叠加态让量子计算实现了真正的并行计算。举一个例子，量子计算可以同时处理10比特的数据，也就是一下子计算完2的10次方个数据，在传统计算中，只能一个一个去计算。具备这样的优势，那么一个1GHz的64位量子芯片的计算能力就可以达到“太湖之光”超级计算机的1500亿倍。
 
量子计算不仅能够大幅提升计算机的计算速度，同时也推动着算法的革新。目前，经典计算机基本都是依靠RSA加密技术进行加密，而量子计算中的Shor因子分解算法能够迅速找到质数因子，进而破解密钥，使得RSA加密技术不堪一击。量子计算将遵循全新的数据检索方式，也就是Grover算法，该算法通过量子计算的并行能力，同时给整个数据库做变换，可用最快的步骤显示出需要的数据。
 
对于当前快速发展的人工智能产业而言，量子计算有望颠覆目前人工智能技术的底层计算架构，使得大数据运算不再是以特定算法中的特定方式来运算，而是具有随机性，有望打造出真正通用的人工智能模型，进入强人工智能时代。
 
因此，如果量子计算全面普及，那么传统计算机将彻底消失，进入“量子霸权”时代。量子霸权并不是一个政治词汇，并不是说谁实现了量子计算就成为了时代的霸主。实际上，量子霸权在国内就叫上面提到的量子优越性，指的量子计算机在某一项具体任务上真正打败了传统的经典计算机。2020年12月，中国第一次实现了量子霸权。而在2019年，量子计算机原型“悬铃木”曾用3分钟完成超算需要计算1万年的计算量，此次量子霸权的实现，让“悬铃木”一战成名。
 
实现量子霸权之后，量子计算的下一个阶段目标是在一些具体任务中部署量子计算机，随着本源量子计算机的交付，中国已经实现了这一步。目前，量子计算应用探索主要集中在量子模拟、组合优化和线性代数求解等领域。其中，量子模拟能够帮助化学、材料、医药等领域找到更接近自然的状态；量子组合优化则能够帮助量化金融、交通规划、气象预测等领域做更好的数据分析；量子线性代数求解能够帮助人工智能、密码学等领域提升计算效率。
 

全球主要国家的量子竞赛

由于量子计算的巨大潜力和前景，得到了目前全球主要国家和地区的积极投入。
 
从时间上看，早在2019年美国科技公司就已经开始基于量子计算机原型为客户提供服务。其中，上文提到的量子计算机原型“悬铃木”由谷歌于2019年9月研制成功，10月份谷歌在《Nature》发表了一篇名为《使用可编程超导处理器的量子霸权》论文，向全球揭露了这款计算机实现了量子霸权；2019年11月，微软基于霍尼韦尔和两家初创公司的硬件在Azure Quantum云计算服务中推出了量子计算服务；2019年12月，亚马逊发布了其量子计算机服务Braket预览版。
 
在量子计算方面，欧洲同样不甘落后。欧洲高性能计算联合企业在2022年10月宣布，将选择捷克、德国、西班牙、法国、意大利、波兰六个成员国来部署史上第一个欧洲量子计算机网络，并将于2023年正式投入使用。不过，根据BCG的分析报告，欧洲在量子计算方面缺乏计算硬件基础，德国量子研究的计算机采购自IBM。而欧洲知名量子初创企业IQM推出的量子计算机目前只有5个量子位，到2024年会扩容到50量子比特。
 
在我国，量子计算是中国科学院重要的研究课题，中国科学院院士潘建伟团队以及郭光灿院士团队是此中代表。其中，潘建伟院士团队的目标是能够在未来5年的时间实现量子纠错，在此基础上，通过10-15年的努力，构建通用的量子计算机。此外，中科院也接连发布多款量子计算软件，以软硬件结合的方式部署量子计算。目前，国内已经拥有“九章二号”量子计算机，以及基于本源量子“悟空”芯片打造的可交付量子计算机等全球领先硬件。
 
在量子计算方面，日本也有很大的雄心。2022年4月份，日本宣布了一项战略计划，计划在2023年3月底之前将其第一台国产量子计算机投入使用，预计到2030年将会有1000万人使用该技术。同时，日本还拥有丰田汽车、日立和 NTT 等数十家日本企业组成的量子战略产业革命联盟：Q-STAR。
 
实际上，全球第一台商用的量子计算机来自加拿大，命名为“D-Wave One”。在量子计算的基础研究上，加拿大也处于第一梯队，郭光灿院士便曾在加拿大学习量子计算相关理论。不过，在后续的产业投资和政策支持方面，加拿大表现的并不突出。
 

后记

当前，在量子计算研究学者的圈子里，将拥有量子计算、量子通信、量子精密测量技术的世界称之为量子世界，现在的世界便称为经典世界。这种说法无疑也证明了，量子计算对于现阶段的计算机科学是一项颠覆性的技术，将会开启全新的运算篇章。
 
虽然量子霸权的本意并不是要让拥有量子计算的国家和地区称霸世界，但是领跑量子计算
研究，无疑是在下一个科技时代占得了先机，因此国内第一台商用量子计算机的交付意义重大。